張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（四）使用 SPI 進行通信

什麼是 SPI

和上一篇文章的 I²C 總線一樣，SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）也是設備與設備間通信方式的一種。SPI 是一種全雙工（數據可以兩個方向同時傳輸）的串行通信總線，由摩托羅拉於上個世紀 80 年代開發^[1]，用於短距離設備之間的通信。SPI 包含 4 根信號線，一根時鐘線 SCK（Serial Clock，串行時鐘），兩根數據線 MOSI（Master Output Slave Input，主機輸出從機輸入）和 MISO（Master Input Slave Output，主機輸入從機輸出），以及一根片選信號 CS（Chip Select，或者叫 SS，Slave Select）。所謂的時鐘線就是一種週期，兩臺設備數據傳輸不能各發各的，這樣就沒有意義，因此需要一種週期去對通信進行約束；數據線就是按照 MOSI 和 MISO 的中文翻譯理解即可；片選信號用於主設備選擇 SPI 上的從設備，I²C 是靠地址選擇設備，而 SPI 靠的是片選信號，一般來說要選擇哪個從設備只要將相應的 CS 線設置爲低電平即可，特殊情況需要看數據手冊。下圖展示了一個 SPI 主設備和三個 SPI 從設備的示意圖。

圖源：Wikipedia

SPI 還有一個重要的概念就是時鐘的極性（CPOL，Clock Polarity）和相位（CPHA，Clock Phase），對其這裏不過多解釋，我們只需要知道極性和相位的組合構成了 SPI 的傳輸模式（SPI Mode）。在數據手冊中，只要是 SPI 通信協議的，一定會給出傳輸模式，我們根據數據手冊進行設置即可。SPI 的傳輸模式是有固定編號的，下表給出了各個模式，常用的模式有 Mode0 和 Mode3。

SPI Mode	CPOL	CPHA
Mode0	0	0
Mode1	0	1
Mode2	1	0
Mode3	1	1

該時序圖顯示了時鐘的極性和相位。圖源：Wikipedia

SPI 相比較 I²C 最大的優點就是傳輸速率高，並且數據在同一時間內可以雙向傳輸，這都得益於它的兩根輸入和輸出數據線。當然缺點也很明顯，比 I²C 多了兩根線，這就要多佔用兩個 IO 接口。而且 SPI 採用 CS 線去選擇設備，不像 I²C 有尋址機制，如果你有很多個 SPI 設備需要連接的話 IO 接口的佔用數量是相當高的。

在 Raspberry Pi 的引腳中，引出了兩組 SPI 接口。但有意思的是，在 Raspbian 中 SPI-1 是被禁用的，你需要修改一些參數去啓用 SPI-1。SPI 接口的引腳編號如下圖所示。

提示

如何在 Raspbian 上開啓 SPI-1？（在 Win10 IoT 上 SPI-1 是開啓的）

1. 使用編輯器打開 /boot/config.txt ，如：sudo nano /boot/config.txt

2. 添加 dtoverlay=spi1-3cs 並保存

3. 重啓

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖

相關類

SPI 操作的相關類位於 System.Device.Spi 和 System.Device.Spi.Drivers 命名空間下。

SpiConnectionSettings

SpiConnectionSettings 類位於 System.Device.Spi 命名空間下，表示 SPI 設備的連接設置。

public sealed class SpiConnectionSettings
{
    // 構造函數
    // busId 是 SPI 的內部 ID
    // chipSelectLine 是 CS Pin 的編號（在 Raspberry Pi 上，SPI-0 對應 0 和 1，SPI-1 對應 2）
    public SpiConnectionSettings(int busId, int chipSelectLine);

    // 屬性
    // SPI 傳輸模式
    public SpiMode Mode { get; set; }
    // SPI 時鐘頻率
    public int ClockFrequency { get; set; }
    // CS 線激活狀態（即高電平選中設備還是低電平選中設備）
    public PinValue ChipSelectLineActiveState { get; set; }
}

UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice

UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice 類位於 System.Device.Spi.Drivers 命名空間下。兩個類均派生自抽象類 SpiDevice，分別代表 Unix 和 Windows10 下的 SPI 控制器，使用時按照所處的平臺有選擇的進行實例化。這裏以 UnixSpiDevice 類爲例說明。

public class UnixSpiDevice : SpiDevice
{
    // 構造函數
    // 需要傳入一個 SpiConnectionSettings 對象
    public UnixSpiDevice(SpiConnectionSettings settings);

    // 方法
    // 從從設備中讀取一段數據，數據長度由 Span 的長度決定
    public override void Read(Span<byte> buffer);
    // 從從設備中讀取一個字節的數據
    public override byte ReadByte();

    // 全雙工傳輸，即主從設備同時傳輸
    // writeBuffer 爲要寫入從設備的數據
    // readBuffer 爲要從從設備中讀取的數據
    // 需要注意的是 writeBuffer 和 readBuffer 需要長度一致
    public override void TransferFullDuplex(ReadOnlySpan<byte> writeBuffer, Span<byte> readBuffer);
    
    // 向從設備中寫入一段數據，通常 Span 中的第一個數據爲要寫入數據的寄存器的地址
    public override void Write(ReadOnlySpan<byte> buffer);
    // 向從設備中寫入一個字節的數據，通常這個字節爲寄存器的地址
    public override void WriteByte(byte value);
}

SPI 的通信步驟

初始化 SPI 連接設置 SpiConnectionSettings

一般情況下，我們只需要配置 SPI 的 ID，CS 的編號，時鐘頻率和 SPI 傳輸模式。其中像時鐘頻率、傳輸模式等設置都來自於設備的數據手冊。比如要使用 Raspberry Pi 的 SPI-0 去操作一個時鐘頻率爲 5 MHz，SPI 傳輸模式爲 Mode3 的設備，代碼如下：
```
SpiConnectionSettings settings = new SpiConnectionSettings(busId: 0, chipSelectLine: 0)
{
    ClockFrequency = 5000000,
    Mode = SpiMode.Mode3
};
```
讀取和寫入

讀取和寫入與 I²C 類似，這裏不再過多贅述，詳見上一篇博客，這裏只提供一個代碼示例。唯一要說明的就是使用全雙工通信 TransferFullDuplex() 時，要求寫入的數據和讀取的數據長度要一致，並且能否使用也需要看設備是否支持。比如從地址爲 0x00 的寄存器中向後連續讀取 8 個字節的數據，並且向地址爲 0x01 的寄存器寫入一個字節的數據，代碼如下：
```
// 讀取
sensor.WriteByte(0x00);
Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; 
sensor.Read(readBuffer);

// 寫入
Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[] { 0x01, 0xFF }; 
sensor.Write(writeBuffer);

// 全雙工讀取
Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[8]; 
Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8];
writeBuffer[0] = 0x00;
sensor.TransferFullDuplex(writeBuffer, readBuffer);
```

加速度傳感器讀取實驗

本實驗選用的是三軸加速度傳感器 ADXL345 ，數據手冊地址：http://wenku.baidu.com/view/87a1cf5c312b3169a451a47e.html 。

傳感器圖像

硬件需求

名稱	數量
ADXL345	x1
杜邦線	若干

電路

VCC - 3.3 V
GND - GND
CS - CS0 (Pin24)
SDO - SPI0 MISO (Pin21)
SDA - SPI0 MOSI (Pin19)
SCL - SPI0 SCLK (Pin23)

代碼

打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲“Adxl345”。
引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

新建類 Adxl345，替換如下代碼：

public class Adxl345 : IDisposable
{
    #region 寄存器地址
    private const byte ADLX_POWER_CTL = 0x2D；      // 電源控制地址
    private const byte ADLX_DATA_FORMAT = 0x31;     // 範圍地址
    private const byte ADLX_X0 = 0x32;              // X軸數據地址
    private const byte ADLX_Y0 = 0x34;              // Y軸數據地址
    private const byte ADLX_Z0 = 0x36;              // Z軸數據地址
    #endregion

    private SpiDevice _sensor = null;

    private readonly int _range = 16;               // 測量範圍（-8，8）
    private const int Resolution = 1024;            // 分辨率

    #region SpiSetting
    /// <summary>
    /// ADX1345 SPI 時鐘頻率
    /// </summary>
    public const int SpiClockFrequency = 5000000;

    /// <summary>
    /// ADX1345 SPI 傳輸模式
    /// </summary>
    public const SpiMode SpiMode = System.Device.Spi.SpiMode.Mode3;
    #endregion

    /// <summary>
    /// 加速度
    /// </summary>
    public Vector3 Acceleration => ReadAcceleration();

    /// <summary>
    /// 實例化一個 ADX1345
    /// </summary>
    /// <param name="sensor">SpiDevice</param>
    public Adxl345(SpiDevice sensor)
    {
        _sensor = sensor;

        // 設置 ADXL345 測量範圍
        // 數據手冊 P28，表 21
        Span<byte> dataFormat = stackalloc byte[] { ADLX_DATA_FORMAT, 0b_0000_0010 };
        // 設置 ADXL345 爲測量模式
        // 數據手冊 P24
        Span<byte> powerControl = stackalloc byte[] { ADLX_POWER_CTL, 0b_0000_1000 };

        _sensor.Write(dataFormat);
        _sensor.Write(powerControl);
    }

    /// <summary>
    /// 讀取加速度
    /// </summary>
    /// <returns>加速度</returns>
    private Vector3 ReadAcceleration()
    {
        int units = Resolution / _range;

        // 7 = 1個地址 + 3軸數據（每軸數據2字節）
        Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[7];
        Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[7];

        writeBuffer[0] = ADLX_X0;
        _sensor.TransferFullDuplex(writeBuffer, readBuffer);
        Span<byte> readData = readBuffer.Slice(1);      // 切割空白數據

        // 將小端數據轉換成正常的數據
        short AccelerationX = BinaryPrimitives.ReadInt16LittleEndian(readData.Slice(0, 2));
        short AccelerationY = BinaryPrimitives.ReadInt16LittleEndian(readData.Slice(2, 2));
        short AccelerationZ = BinaryPrimitives.ReadInt16LittleEndian(readData.Slice(4, 2));

        Vector3 accel = new Vector3
        {
            X = (float)AccelerationX / units,
            Y = (float)AccelerationY / units,
            Z = (float)AccelerationZ / units
        };

        return accel;
    }

    /// <summary>
    /// 釋放資源
    /// </summary>
    public void Dispose()
    {
        _sensor?.Dispose();
        _sensor = null;
    }
}

在 Program.cs 中，將主函數代碼替換如下：

static void Main(string[] args)
{
    SpiConnectionSettings settings = new SpiConnectionSettings(busId: 0, chipSelectLine: 0)
    {
        ClockFrequency = Adxl345.SpiClockFrequency,
        Mode = Adxl345.SpiMode
    };
    UnixSpiDevice device = new UnixSpiDevice(settings);

    using (Adxl345 sensor = new Adxl345(device))
    {
        while (true)
        {
            Vector3 data = sensor.Acceleration;

            Console.WriteLine($"X: {data.X.ToString("0.00")} g");
            Console.WriteLine($"Y: {data.Y.ToString("0.00")} g");
            Console.WriteLine($"Z: {data.Z.ToString("0.00")} g");
            Console.WriteLine();

            Thread.Sleep(500);
        }
    }
}

發佈、拷貝、更改權限、運行

效果圖

備註

下一篇文章將談談 PWM 的使用。

張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（四）使用 SPI 進行通信

什麼是 SPI

相關類

SpiConnectionSettings

UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice

SPI 的通信步驟

加速度傳感器讀取實驗

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